DE3123220A1

DE3123220A1 - Biologisch aktive glas- und glaskeramik-zusammensetzung sowie ein hiermit ueberzogenes implantat

Info

Publication number: DE3123220A1
Application number: DE19813123220
Authority: DE
Inventors: Takamitsu Tokyo Fujiu; Takeo Meguro Ichimura; Michio Yokohama Kanagawa Kariya; Makoto Ogino
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1980-06-11
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1982-03-11
Also published as: JPS573739A; GB2080281B; JPS6146418B2; GB2080281A; US4437192A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine biologisch aktive Glas- und Glaskeramik-Zusammensetzung sowie auf ein hiermit beschichtetes Implantat.

Es sind biologisch aktive Gläser und Glaskeramiken bekannt, die sich direkt mit Hartgeweben, insbesondere Knochen, im lebenden Körper chemisch kombinieren. Bei Berührung mit den Körperflüssigkeiten in vivo reagiert das biologisch aktive Material unter Verbindung mit Knochen. Der Reaktionsmechanismus zwischen dem Material und dem Hartgewebe im lebenden Körper ist im einzelnen beschrieben in J. Biomed. Mater. Res. Symp. No. 2 (Part 1), 117 - 141 (1971). Der Mechanismus ist kurz gesagt wie folgt:

Die Bestandteile des Materials wie Na, Ca, P, B und Si werden aus der Materialoberfläche herausgelöst und gehen in die Körperflüssigkeit als entsprechende Ionen über und bilden auf diese VJeise Mikroporen an der Oberfläche. P- und Ca-Ionen, die vom biologisch aktiven Material her-

rühren, ebenso P- und Ca-Ionen, die vom lebenden Körper selber stammen, werden wegen ihrer Knochenaufbaufähigkeit allmählich in den gebildeten Poren niedergeschlagen und kristallisieren in Hydroxy!apatit, den Knochen-Hauptbestandteil, Sonach wird eine direkte und chemische Verbindung zwischen dem biologisch aktiven Material und der Knochensubstanz erhalten.

Andererseits ist es bekannt, daß kein praktisch brauchbares Implantat hergestellt werden kann, wenn nur ein solches biologisch aktives Material benutzt wird, da dieses unzureichende mechanische Festigkeit besitzt. Eine Lösung dieses Problems war die Verwendung eines mit diesem biologisch aktiven Material überzogenen Metallkerns ausreichend hoher mechanischer Festigkeit, um den beim Gebrauch normalerweise auftretenden Belastungen widerstehen zu können. Klinische Untersuchungen wurden an solcherart hergestellten Implantaten durchgeführt.

Das Aufbringen der biologisch aktiven Materialbeschichtung auf den Metallkern erfolgte nach zahlreichen Methoden, wobei regelmäßig das biologisch aktive Glas- und Glaskeramik-Material zu erschmelzen waren. In diesem Fall war eine bevorzugte Beschichtungsmethode ein Emaillieruncjpj..rozt.-ß, der c\in Rcalifr! oruncf einer gleichföj ;'.vic;r>:

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Beschichtung ermöglicht. Ein Emaillierungsprozeß ist aber nur dann möglich, wenn das biologisch aktive Material und der hiermit zu beschichtende Metallkern nahezu gleichen Ausdehnungstemperaturkoeffizienten haben und das biologisch aktive Material einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt besitzt. Haben das biologisch aktive Material und der Metallkern unterschiedliche Ausdehnunqstemperaturkoeffizienten, dann treten auf die Abkühlung hin leicht Sprünge in der Uberzugsschicht auf. Ist das biologisch aktive Material nicht bei relativ niedrigen Temperaturen erschmelzbar, so können die dann höheren Schmelztemperaturen des Glases oder der Glaskeramik den Kern beschädigen; darüberhinaus kann der Überzug mit Metallionen verunreinigt werden.

Im Hinblick hierauf ist von biologisch aktiven Glas- und Glaskeramik-Materialien, die auf einen Metallkern zur Herstellung eines Implantates aufgebracht werden, zu verlangen, daß sie die folgenden Forderungen sämtlich erfüllen:

1. Adäquate Reaktionsfähigkeit, um ein Auslaugen verschiedener Ionen aus der Oberfläche zu ermöglichen;

2. praktisch gleicher Ausdehnungstemperaturkoeffizient wie der Metallkern und

3. relativ niedriger Schmelzpunkt.

Alle bisher bekannten biologisch aktiven Glas- und Glaskeramikmaterialien erfüllen die vorstehenden Forderungen nicht gleichzeitig. Beispielsweise sei auf die biologisch aktiven Glas- und Glaskeramik-Materialien nach der JA-OS 145 394/1978, deren Gegenstücke die US-PSen 41 59 und 42 34 972 sind, verwiesen. Innerhalb des vorgeschriebenen Zusammensetzungsbereiches für jenes biologisch aktive Material ist es nicht möglich, viele Kombinationen von Reaktionsfähigkeit und Ausdehnungstemperaturkoeffizient zu erhalten. Wird im einzelnen die Zusammensetzung des biologisch aktiven Materials so gewählt, daß das Material praktisch gleiche Ausdehnungstomperaturkoeffizienten wie der mit dem Material zu beschichtende Metallkern hat, dann ist damit auch zugleich die Reaktionsfähigkeit des Materials festgelegt. Es ist nicht länger möglich, die Reaktionsfähigkeit unabhängig vom eingestellten Ausdehnungstemperaturkoeffizienten zu bestimmen.

Wünscht man ein Implantat durch Beschichten eines Metallkerns mit irgendeinem bekannten biologisch aktiven Material herzustellen, dann muß der Ausdehnungstemperaturkoeffizient des Überzugsmaterials unter Berücksichti-

gung des Ausdehnungstemperaturkoeffizienten des Kernes bestimmt werden. Da wie erwähnt, die Reaktionsfähigkeit des Materials durch den gewählten Ausdehnungstemperaturkoeffizienten bestimmt ist, verbleibt praktisch keine Möglichkeit einer freien Wahl der Reaktionsfähigkeit nach der Wahl des Ausdehnungstemperaturkoeffizienten für die bisher bekannten biologisch aktiven Glas- und Glaskeramik-Materialien. Jedoch ist die Einstellung der Reaktionsfähigkeit von großer Bedeutung für die Brauchbarkeit eines biologisch aktiven Implantats, wie sich aus der nachstehenden Beschreibung ergibt.

Im Rahmen von der Erfindung vorausgehenden Versuchen wurden zahlreiche Experimente mit dem biologisch aktiven Glas- und Glaskeramik-Material nach der genannten JA-OS 145 394/1978 durchgeführt, um die Festigkeit der chemischen Verbindung zwischen dem Material und verschiedenen Knochen zu prüfen. Bei diesen Experimenten in vivo, wurden die bekannten biologisch aktiven Materialien in Schenkelknochen von Ratten, Schädeln von Kaninchen und Kieferknochen von Hunden implantiert. Die bei diesen Tierversuchen erhaltenen Resultate demonstrierten die Tatsache, daß die chemische Verbindungsfestigkeit zwischen dem biologisch aktiven Material und den Knochen mit dor J.rt Ces. Versuchstiers variiert und selbst bei

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gleicher Tierart sich mit Alter und Kondition des Tiers sowie mit der Implantationsstelle ändert. Dieser Unterschied in der Verbindungsfestigkeit rührte offensichtlich von unterschiedlicher Knochenbildunqsfähiqkeit bei verschiedenen lebenden Körpern und auch bei verschiedenen Teilen eines Körpers her.

Wie erwähnt, findet bei der Implantation des biologisch aktiven Materials in den lebenden Körper an der Oberfläche des Materials eine chemische Reaktion statt, in deren Verlauf Ionen an der Oberfläche abgelaugt werden und dadurch Mikroporen entstehen. Zugleich mit der fortschreitenden Oberflächenreaktion wird neues Knochengewebe seitens des lebenden Körpers aufgrund dessen Knochenbildungs~ Vermögens gebildet und die Mikroporen des Materials werden allmählich mit neuem Knochengewebe gefüllt. Eine vollkommene und starke Bindung zwischen dem biologisch aktiven Material und dem Knochengewebe kann nur erreicht werden, wenn die Oberflächenreaktion mit einer Geschwindigkeit fortschreitet, die im wesentlichen gleich der Knochenaufbaugeschwindigkeit ist. Wenn daher die Reaktionsfähigkeit des benutzten biologisch aktiven Materials nicht dem Knochenbildungsveriaögen des das Implantat tragenden Körperteils folgen kann, dann führt dies zu einer schlechten Verbindungsf ertigkeit..

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- ίο -

Demgemäß ist es für den klinischen Gebrauch eines Implantats mit einer Beschichtung aus biologisch aktiven Glasoder Glaskeramik-Material wesentlich, ein solches biologisch aktives Material zu benutzen, dessen Reaktionsfähigkeit der Knochenbildungsfähigkeit des das Implantat tragenden Körperteils entspricht.

Als Ergebnis der besagten Oberflächenreaktion des biologisch aktiven Materials in vivo werden Ionen von Elementen wie Na, Ca, P, B und Si aus der Oberfläche herausgelaugt. Natrium- und Calcium-Ionen stellen den überwiegenden Anteil der herausgelaugten Ionen. Das Herauslaugen anderer Ionen wie P, B und Si erfolgt allmählich und beginnt nachdem die Glasstruktur zu einem gewissen Ausmaß als Folge des Herauslaugens von Natrium- und Calcium-Ionen zerstört worden ist. Das bedeutet, daß die Bewertung der Reaktionsfähigkeit eines biologisch aktiven Materials gegenüber einem lebenden Körper einfach durch Beobachtung der Änderung des pH-Wertes, die hauptsächlich dem herausgelaugten Natriumion zuzuschreiben ist, erfolgen kann. Im einzelnen wird hierzu das Material in eine simulierte, eigens für diesen Zweck präparierte physiologische Lösung verbracht und lange genug darin gehalten, um die pH-Wert-Änderung der Lösung beobachten zu können, wie diene W.^:, ν pt:;. Schlich aus dem Natriunüoncri-

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übergang vom Material in die Lösung resultiert. Auf diese Weise kann die Reaktionsfähigkeit des Materials gegenüber einem lebenden Körper durch einen einfachen pH-Test in vivo bewertet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein biologisch aktives Glas und Glaskeramikmaterial bereitzustellen, für das jede erwünschte Kombination von Ausdehnungstemperaturkoeffizient und Reaktionsfähigkeit, nämlich Reaktionsfähigkeit hinsichtlich der Reaktion, durch die Ionen aus der Oberfläche des Materials im Kontakt mit den Körperflüssigkeiten in einem lebenden Körper herausgelaugt werden, frei wählbar ist und das Material zugleich einen relativ niedrigen Schmelzpunkt besitzt.

Insbesondere sollen dabei verbesserte Metallimplantate

IM«

bereitgestellt werden, die mit einer Beschicht aus einem solchen Material überzogen sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird nun durch ein biologisch aktives Glas- und Glaskeramik-Material gelöst, dessen Zusammensetzung, in Mol%, im wesentlichen gegeben ist durch

SiO₂ 35 bis 60

B₂O., 5 bis 15

CaO

^P2°5

κ₂ο

MgO

Al₂O₃ + ZrO₂ + Nb₂O₅ La₂O₃ + Ta₂O₅ + Y₂O₃

10	bis	30
5	bis	40
0,	5 bis	10
0	bis	15
0	bis	20
0	bis	10
0	bis	5
0	bis	8
0	bis	8

bis 15

Das verbesserte Implantat besteht gemäß der Erfindung aus einem Kern und einem Schichtüberzug aus dem biologisch aktiven Material der vorstehenden Zusammensetzung, Die Uberzugsdicke beträgt vorzugsweise 0,1 bis 2 mm.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung der Änderung des pH-Wertes mit der Zeit (in Stunden) für eine erste Gruppe von Ausführungsbeispielen entsprechend der Tabelle 1,

Fig. 2 ein Diagrarpn wie Fig. 1 für eine zweite Gruppe*

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von Ausführungsbeispxel entsprechend Tabelle 2 und

Fig. 3 ein Diagramm wie Fig. 1 für eine dritte Gruppe von Ausführungsbeispielen entsprechend Tabelle 3.

Es wurde gefunden, daß die Reaktionsfähigkeit bekannter biologisch aktiver Gläser und Glaskeramiken sehr wirksam durch Zugabe von TiO_ selbst in sehr kleinen Anteilen gesteuert werden kann. Hierauf beruhend wurde eine neue Zusammensetzung für biologisch aktive Glas- und Glaskeramik-Materialien gefunden, die sich zum Beschichten eines Metallkerns zur Herstellung eines Implantates eignen. Die neue Zusammensetzung hat den Auswahlbereich für die Reaktionsfähigkeit bei biologisch aktiven Glas- und Glaskeramik-Materialien erfolgreich verbreitert.

Für die bisher vorgeschlagenen biologisch aktiven Glas- und Glaskeramik-Materialien ist ein hoher B_O,-Gehalt erforderlich, um die Eigenschaft eines niedrigen Schmelzpunktes sicherzustellen. Dieses führte zu übermäßiger Reaktionsfähigkeit, so daß eine starke Verbindung zwischen dem biologisch aktiven Material und dem Knochengewebe nicht erreicht werden konnte. Im Gegensatz hierzu erhält rr.an erfindungi^cn-äß ein biologisch aktives Gl:,n-

und Glaskeramik-Material, dessen Reaktionsfähigkeit auf einen geeigneten Wert durch Verwendung von TiO,, auch dann einstellbar ist, wenn ein großer B-O.-Anteil im biologisch aktiven Material im Hinblick auf die Forderung nach einem niedrigen Schmelzpunkt vorhanden sein muß.

Biologisch aktive Glas- und Glaskeramik-Materialien haben im wesentlichen die nachstehende Zusammensetzung (in Mol%)

SiO₂ ^B2°3

CaO

^P2°5 K₂O

Li₂O MgO

Al₃O₃ + ZrO₂ + Nb₃O₅ La₂O₃ + Ta₂O₅ + Y₂O₃

^F2

Das biologisch aktive Material gemäß der Erfindung umfaßt alle GlTiG- und Glankerc.r.-.ik-y.atorialien des vorstehend an-

35	bxs	60
5	bis	15
10	bis	30
5	bis	40
0,	5 bis	10
0	bis	15
0	bis	20
0	bis	10
0	bis	5
0	bis	8
0	bis	8
0	bis	15

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gegebenen Zusammensetzungsbereichs. Für die Zusammensetzung ist es unnötig, zwischen Glas und Glaskeramik zu unterscheiden. Wie allgemein bekannt, kann Glas in Keramik zur Erhöhung der Festigkeit kristallisieren.

Die vorstehend angegebenen Anteile der einzelnen Bestandteile sind aus folgenden Gründen wesentlich.

Wie erwähnt, ist TiO₂ ein wesentlicher Bestandteil zum Herabsetzen der Reaktionsfähigkeit des biologisch aktiven Materials. Bei mehr als 10 Mol% TiO_x hat das biologisch aktive Material nicht länger die gewünschte Eigenschaft eines niedrigen Schmelzpunktes. Unterhalb 0,5 Mol% ist der die Reaktionsfähigkeit herabsetzende Effekt von TiO₂ zu klein, um die Reaktionsfähigkeit des Materials noch auf den gewünschten Wert einstellen zu können.

B₂O , Na₂O und CaO haben etwas Auswirkung auf die Reaktionsfähigkeit, obgleich der Effekt weit kleiner als der von TiO₂ ist. Die Reaktionsfähigkeit nimmt mit zunehmenden Anteilen dieser Bestandteile zu. Ist daher der Anteil dieser Bestandteile extrem hoch oder extrem niedrig, dann ist es unmöglich, die Reaktionsfähigkeit auf das gewünschte Niveau einzustellen. Aus diesem Grunde sollte der BJD -Anteil zwischen 5 vnd 15 Mol"= liegen. In

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ähnlicher Weise sollte Na„O mit 10 bis 30 Mol% und CaO mit 5 bis 40 Mol% zugegen sein.

ist ein Netzwerkbildner. Die Reaktionsfähigkeit des biologisch aktiven Materials nimmt mit abnehmendem SiO₉-Gehalt zU. Jedoch ist seine Auswirkung auf die Reaktionsfähigkeit bemerkenswert kleiner als die von TiO₅. Mit einem höheren SiO_-Gehalt als 60 Mol% hat das Material nicht mehr die gewünschte Eigenschaft eines niedrigen Schmelzpunktes. Unterhalb 35 Mol% SiO₂ ist es unmöglich, die Reaktionsfähigkeit des Materials auf das gewünschte Niveau selbst bei Steuerung durch TiO₂ zu bringen.

K„0 und Li„0 können statt Na_0 zur Steuerung der Reaktionsfähigkeit benutzt werden und auch dazu, das Material bei relativ niedrigen Temperaturen zu schmelzen. Oberhalb 10 Mol% Li₂O verliert das biologisch aktive Material seine Affinität für einen lebenden Körper.

MgO ist ein Substituent für CaO. Oberhalb 5 Mol% MgO verliert die Zusammensetzung ihre Affinität für einen lebenden Körper.

Al₃O , ZrO und Nb₂O₃ sind Substituenten für TiO₂. Jedoch .'.'.ollta ?^::y A^r"\u0.i 1 cif^er Bc-.jt-.ndteile insgesamt kleiner

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als 8 Mol% sein. Oberhalb 8 Mql% hat das biologisch aktive Material nicht mehr die gewünschte Eigenschaft eines niedrigen Schmelzpunktes.

F_ dient zur Erschmelzbarkeit des Materials bei relativ niedrigen Temperaturen. Oberhalb 15 Mol% P„ ist es unmöglich, der Zusammensetzung eine adäquate Reaktionsfähigkeit zu geben.

Ist der Gesamtgehalt an La„O_, Ta₅O₁- und Y»>0_ insgesamt höher als 8 Mo 1%, dann v;ird es unmöglich, das Material bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzbar zu halten.

Oberhalb 15 Mol% ^₂ ⁰S ^{hat das} Material keine geeignete Reaktionsfähigkeit mehr.

Innerhalb des oben angegebenen Zusammensetzungsbereiches sind Glas- und Glaskeramik-Materialien zur Beschichtung eines Metallkerns im Emaillierungsprozeß besonders geeignet, v/enn sie folgende Zusammensetzung in Mol% haben.

SiO₂ 40 bis 60

B₂O₃ 8 bis 15

Na₂O 15 bis 30

CoO 8 bis 30

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_t 0,5 bis 8

O bis 8 >

O bis 15

Wegen des hohen B₂O_-Gehaltes ist diese Gruppe von Glas- und Glaskeramik-Materialien bei Temperaturen erschmelzbar, die niedrig genug sind, um die biologisch aktive Beschichtung auf einen Metallkern durch Emaillierung aufzubringen. Außerdem ist wegen des hohen Na₃O-Gehaltes die Überzugsschicht dieser Zusammensetzung fest am Kernmetall haftend.

Im Gegensatz hierzu haben die bisher bekannten biologisch aktiven Glas- und Glaskeramik-Materialien generell einen hohen Schmelzpunkt, selbst in Form eines Pulvers. Deshalb sind sie für ein Emaillierungsverfahren ungeeignet. Wenn eine Beschichtung des bekannten Materials auf einen Metallkern aufgebracht wird, diffundieren ein großer Anteil Metallionen in das Glas, so daß die Funktion der Beschichtung als biologisch aktives Material zum größten Teil verlorengehen kann.

Nachstehend sind Beispiele wiedergegeben.

- 19 Beispiele 1 bis 4

Vier verschiedene Glas- und Glaskeramikproben wurden in der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung - in Mol% hergestellt. Hinsichtlich der Anteile von B₂°3' ^Si02' Na₂O und CaO waren die vier Proben gleich oder nahezu gleich. Jedoch wurde der TiO -Gehalt von Probe zu Probe zwischen 0,5 Mol% und 3,0 Mol% geändert. Der B 0 -Gehalt bei diesen Beispielen ist höher als der bei den bekannten biologisch aktiven Glas- und Glaskeramikmaterialien.

Messungen wurden an den Proben nach Beispielen 1 bis zur Bestimmung des Ausdehnungstemperaturkoeffizienten (ATK) und des Schmelzpunktes für Materialpulver wurden durchgeführt. Die Werte sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben.

	(D	Tabelle 1	(3)	(4)	,5
Beispiel Kr.	49,5	(2)	48,5	48,	,0
SiO₂	12,0	49,0	12,0	11,	,5
^B2°3	23,0	12,0	22,5	22,	0
Na₂O	15,0	23,0	1b,0	15,	0
CaO	0,5	15,0	2,0	3,
TiO	1,0

O I L· O

Beispiel	Nr.	(D	(2)	(3)	(4)
ATK		130	130	130	130
do"⁷ °c

Schmelzpunkt

als Pulver (⁰C) 690 690 690 695

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, haben die Proben nach Beispielen 1 bis 4 denselben Ausdehnungstemperaturkoeffizienten. Ihre Schmelzpunkte als Pulver sind sehr niedrig und liegen bei oder annähernd bei 690 C. Wie weiterhin aus Fig. 1 ersichtlich ist, konnte die Reaktionsfähigkeit des biologisch aktiven Materials erfolgreich geändert werden durch Ändern des TiO₂*~Gehaltes.

Fig. 1 zeigt pH-Wertänderungen einer simulierten physiologischen Lösung mit der Zeit in Stunden für die Beispiele 1 bis 4 nach Tabelle 1. Die Kurven (1), (2), (3) und (4) wurden mit den Zusammensetzungen nach Beispielen 1, 2, 3 bzw. 4 jeweils wie folgt erhalten.

Jede Probe wurde in eine simulierte physiologische Lösung eingetaucht und lange Zeit darin gehalten, während der der pH-Wert der Lösung kontinuierlich gernessen wurde. Die erhaltenen pH-Werte wurden wie dargestellt auf der Ordinate über dor logarithm!sehen Zeitachse (in Stunden)

31232 2 ü

Man sieht, daß der höchste pH-Wert für die Zusammensetzung nach Beispiel 1 erhalten wurde, bei der der TiO₂-Gehalt der kleinste von allen vier Zusammensetzungen war, und daß der niedrigste pH-Wert für die Zusammensetzung nach Beispiel 4 erhalten wurde, die den größten TiO„-Gehalt von allen aufwies. Dieses zeigt, daß die Reaktionsfähigkeit des vorliegenden aktiven Materials wirksam gesteuert werden kann durch Ändern des TiO₂~Gehaltes. Das Ausmaß der pH-Wertzunahme wird kleiner, wenn sich der TiO^-Gehalt erhöht, man sieht daher, daß die Reaktionsfähigkeit des Materials gegenüber einem lebenden Körper reduziert werden kann durch Erhöhen des TiO~-Gehaltes.

Das biologisch aktive Glas nach Beispiel 1, das bei dem vorstehenden pH-Test die höchste Reaktionsfähigkeit besaß, lag in Form eines Zylinders von 1 mm Durchmesser und 3 mm Höhe vor. Der Zylinder wurde in einen Schenkelknochen einer Ratte implantiert, wo der Wert des Knochenbildungsvermögens relativ hoch ist. Andererseits wurde das biologisch aktive Glas nach Beispiel 3, dessen Reaktionsfähigkeit als relativ niedrig befunden wurde, in einen Zylinder eines Durchmessers von 3 mm vmd einer Länge von 5 mm geformt. Der Zylinder wurde in den Kieferknochen eines Hundes implantiert, wo der Wert des Knochenüv ■·■:"■;' JfUiK r\u'.t.iv n:ic-v!riq iyt. Jn beiiVni die; ·"·"

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! Z ό / L U

Experimente in vivo wurde eine starke Glas-Knochen-Verbindung erhalten.

Zu Vergleichszwecken wurde ein bekanntes biologisch aktives Material, wie dieses in der genannten Ja-OS 145 394/1978 als "Bioglas A" beschrieben ist, in derselben Weise wie oben angegeben geprüft. Obgleich das bekannte Material eine hohe Verbindungsfestigkeit mit dem Schenkelknochen einer Ratte zeigte, war die Verbindung zwischen dem Material und dem Kieferknochen eines Hundes von schlechter Festigkeit.

Die biologisch aktiven Materialien nach der genannten JA-OS haben hohe Schmelzpunkte als Pulver; sie liegen bei etwa 1100 ⁰C oder darüber. Dieses ist weit höher als die Schmelzpunkte der vorliegenden Materialien. Es ist möglich, den hohen Schmelzpunkt der bekannten Zusammensetzung durch Zugabe von etwas B₂O-. herabzusetzen. Jedoch führt eine B,0 -Zugabe von mehr als 10 Mol% zu übermäßig hoher Reaktionsfähigkeit des bekannten Materials, In diesem Fall ist es anders als bei den vorliegenden Materialien sehr schwierig, die Reaktionsfähigkeit auf einen gewünschten Wert einzustellen.

OR/GJNAL INSPECTED

- 23 Beispiele 5 bis

Die Beispiele 5 bis 8 sind in der nachstehenden Tabelle 2 wiedergegeben, auch hier verstehen sich die Angaben zur Zusammensetzung in Mol%.

Beispiel Nr.

Tabelle 2	(5)	(6)	(7)	(8)
48,0	47,5	47,0	47,0
12,0	12,0	12,0	11,5
23,0	23,0	23,0	23,0
12,5	12,5	12,5	12,5
2,0	2,0	2,0	2,0
2,0	2,0	2,0	2,0
0,5	1,0	1,5	2,0
135	135	135	135

do"⁷ °c~¹) Schmelzpunkt als

Pulver (° C) 670 670 670 67

Die in Tabelle 2 angegebenen biologisch aktiven Zusammensetzungen enthalten zusätzlich zu den Bestandteilen nach Tabelle 1 noch Fluoride. Fluoride dienen zur Herabsetr-uirig f·'r Reaktionr^-r'hiqknit der biologisch aktiven Zusarem^r:;.^::L^unq air; Ganzes, wie dieses auf; Fia.

¹⁴ BAD

I ZJZZU

der zeitlichen Änderung des pH-Wertes ersichtlich ist. Die Darstellung in Fig. 2 entspricht der nach Fig. 1. Die verringerte Reaktionsfähigkeit wird weiter auf einen gewünschten Wert eingestellt durch Ändern des TiO~-Gehaltes (siehe Fig. 2). Diese Zusammensetzungen haben denselben Ausdehmmgstemperaturkoeffizienten, der es ermöglicht, Metallkerne derselben Art mit unterschiedlich biologisch aktiven Zusammensetzungen zu überziehen. Die Schmelzpunkte dieser Gruppe biologisch aktiver Zusammensetzungen lagen für Pulver alle niedrig und etwa bei 670 ⁰C.

Beispiele 9 bis 12

Weitere Beispiele bevorzugter biologisch aktiver Glas- und Glaskeramik-Zusammensetzungen sind in der Tabelle 3 als Beispiele 9 bis 12 angeführt.

Die Zusammensetzungen dieser Gruppe enthalten einige weitere Zusätze zusätzlich zu den Bestandteilen nach Tabelle 2.

K₂O und Li_?0 können statt Na₃O zum Erhalt derselben Wirkung zugesetzt werden. Al„O , ^Zr02 ^un<^ ^Nb2°5 ^aben ^einen Fteii;:'·-.::■'.;■■ :,",:;k ν 1.ο.-:ί'.:Ο ic'λ der ^er^k tionsfShigke.it dos biologisch aktiven Materials und können daher unter-

stützend zu TiO~ bei der Steuerung der Reaktionsfähigkeit benutzt werden. Eine Zugabe von La„O_, Ta-Oj. und Y₂O , selbst in sehr kleiner Menge, liefert ein biologisch aktives Glas- und Glaskeramik-Material, das einen hohen Röntgenstrahlungsabsorptionskoeffizienten besitzt und die Beobachtung des Implantats nach der Implantation stark erleichtert. Die P₂O₅-?<ugabe hat die Wirkung einer Verbesserung der Affinität des Materials zum lebenden Körper. MgO hat ähnliche Funktion wie CaO und kann statt dessen benutzt werden.

Beispiel Nr. SiO₂ ^B2°3 Na₂O CaO

TiO "

^P2°5 K₂O Li₂O Al₂O₃ ZrO₂

Tabelle 3	(9)	(10)	(1	D	(1	2)
48,0	48,0	47	,5	46	,0
12,0	12,0	12	,0	11	,0
21 ,5	6,5	21	,0	20	,0
15,0	10,0	15	,0	13	,5
1,0	1,0	0	,5	1	,0
2,5	2,5	2	,5	2
-	10,0		-		-
-	5,0		-		-
-	-	0	,5		-
-	-	0	,5		-
—		0	r5		_

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Beispiel Nr. (9) (10) (11) (12)

La₃O₃ - - - 2,0

Ta₂O₅ - - - 2,0

Y₂O₃ - 2,0

MgO - 5,0

ATK 130 120 130 135 (10"^{7 0}C"¹)

Schmelzpunkt als

Pulver (⁰C) 690 690 700 740

Auch in dieser Tabelle sind die Zusammensetzungsanteile in Mol% angegeben.

Die angegebenen Zusammensetzungen haben ebenfalls die erwünschte Eigenschaft eines niedrigen Schmelzpunktes. Wie v/eiterhin aus Fig. 3 ersichtlich ist, haben alle Zusammensetzungen den gewünschten Wert der Reaktionsfähigkeit. Die Reaktionsfähigkeit kann des v/eiteren fein gesteuert v/erden durch minutiöses Ändern der Anteile von TiO^ _r A1~O_, ZrO „ und Nb-Oj-. Diese Bestandteile dienen als Reaktxonssteuerungsmittel.

Die vorliegenden Glas- und Glaskeramik-Zusammensetzungen können auf einen Metallkern zum Erhalt eines Implantates aufgebracht werden. Der solcherart zu beschichtende Me-

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— 97 —

werden. Beispiele hierfür sind rostfreier Stahl, Kobalt-Chrom-Legierungen, Titan, Titanlegierungen, Edelmetalle, beispielsweise Platin, Edelmetallegierungen, beispielsweise 90 % Platin-10% Rhodium-Legierung, oder Molybdän-Nickel-Kobalt-Chrom-Legierungen. Vorzugsweise ist die Überzugsschicht 0,1 bis 2 mm dick. Die Beschichtung kann nach bekannten Beschichtungsmethoden, wie Emaillieren und Einschmelzen erfolgen.

Demgemäß umfaßt die vorliegende Erfindung auch Metallimplantate, die mit den oben definierten Glas- und Glaskeramik-Zusammensetzungen beschichtet sind. Das nachstehende Beispiel dient zur Erläuterung eines solchen Implantates.

Beispiel 13

Ein zylindrischer Metallkern von 5 mm Durchmesser und 10 mm Länge wurde aus folgender Legierung hergestellt:

Ni	59 Gew.~%
Cr	15 Gew.-%
Co	15 Gew.-%
Mo	7 Gew.-%
Gt ir: ο	4 Cew.-%

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Der zylindrische Metallkern wurde mit Aluminiumoxidpartikeln der Maschengröße 180 unter einem Druck von

2
8 kg/cm sandgestrahlt. Diese Oberflächenbehandlung dient zur Verstärkung der Festigkeit der chemischen Verbindung zwischen Glas und Metall mit Hilfe einer (zusätzlichen) mechanischen Verbindung.

Nach der Oberflächenbehandlung wurde der Kern 3 Minuten lang einer Ultraschallreinigung in Azeton unterworfen. Der Metallkern wurde dann eine halbe Stunde lang in Vakuum von mehr als 4/3 · 10~ mbar (10~ Torr) bei 800 ⁰C zu Entgasungszwecken ausgeheizt. Diese Entgasungsbehandlung verhindert eine Blasenbildung an der Oberfläche des Kerns, wenn dieser in Berührung mit geschmolzenem Glas bei hoher Temperatur gebracht wird.

Die Glaszusammensetzung nach Beispiel 1 wurde zu einem Pulver vermählen, dessen Partikelgröße kleiner als 200 Maschen war. Das gepulverte Glas wurde dann mit demselben Volumen eines Lösungsmittelgemisches zur Bildung einer Schlämme gemischt. Das benutzte Lösungsmittelgemisch war eine 10 : 1 volumteilige Mischung von Äthanol und Triäthanolamin. Die Schlämme wurde auf den vorbehandelten Metollkern durch Eintauchen oder Beschichten aufgebracht, UiU i:j iiüii .'""·. 3 :. γλ ί;ί. ' ."Ί:<\η i.k:h J '.' VrVm^t rna auf dom Kotallkern zu erzeugen. Eine Stirnseite des Metallkerns blieb unbedeckt.

17/18

ORIGINAL

Der solcherart beschichtete Metallkern wurde in einen Ofen verbracht. Die Temperatur des Ofens wurde innerhalb einer halben Stunde von Zimmertemperatur auf 680 ⁰C erhöht und bei dieser Temperatur 3 Minuten lang gehalten. Während dieser Heizperiode verdampften die in

organ/schau der Schlämmschicht enthaltenen Materialien sämtlich oder wurden ausgebrannt, und die geschmolzenen feinen Glaspartikel verbanden sich miteinander, um eine den Metallkern bedeckende Glasbeschichtung zu bilden. Der beschichtete Metallkern wurde dann in einen anderen, auf 450 ⁰C aufgeheizten Ofen verbracht. Nach 5 stündiger oder längerer Ofenstandzeit wurde der beschichtete Metallkern auf Zimmertemperatur abgekühlt. Auf diese Weise wurde ein Implantat aus einem Metallkern und einer Überzugsschicht aus biologisch aktivem Glas hergestellt.

Falls gewünscht kann das solcherart präparierte Implantat weiter erwärmt werden_f indem es etwa eine Stunde lang bei 600 bis 700 C gehalten wird, um eine Phasenausscheidxmg oder eine Kristallphcxsenbildung in der Glasbeschichtung zu erzeugen.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß mit den vorliegenden Glas- und Glaskeramik-Materialien zahlreiche Vorteile CfCCT .'-.-!,ü; Γ r con ; ■. '", :.ⁱitcn l-'v !icrialien erreichbar :.>".-■.

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ZJ/.ZÜ

So kann jede erwünschte Kombination von Reaktionsfähigkeit und Ausdehnungstemperaturkoeffizient für ein biologisch aktives Glas- und Glaskeramik-Material durch geeignete Wahl des TiO -Gehaltes gewählt werden. Es ist daher möglich, zahlreiche biologisch aktive Materialien mit unterschiedlicher Reaktionsfähigkeit für einen und denselben Metallkern zu präparieren. Sonach können durch Beschichten von Metallkernen derselben Metallart mit unterschiedlich reaktionsfähigen biologisch aktiven Materialien zahlreiche Implantate mit unterschiedlichen Reaktionsfähigkeiten hergestellt werden. Der Operateur kann deshalb stets das geeignetste Implantat für einen Patienten auswählen, der sich einer Implantationsoperation unterzieht, wobei die Knochenbildungsfähigkeit, wie diese durch Alter und Kondition des Patienten ebenso auch durch den Implantationsort bestimmt ist, berücksichtigt werden kann. Dieses stellt in allen Fällen eine bessere Lösung als bisher sicher.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden biologisch aktiven Materialien beruht auf dem niedrigeren Schmelzpunkt. Aufgrund der Eigenschaft, bei niedrigen Temperaturen zu schmelzen, kann das Beschichtungsmaterial auf einen Metallkern unter Verwendung eines bevorzugten Emaillier- :-^;j rv: Zv-V:-.-.<; "it '.-:■.■ rf.~η , '-church hochqualitativo.

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und gleichförmige Beschichtungen mit größerer Ausbeute erreichbar sind. Da eine gleichförmige Beschichtung erhalten werden kann, kann die Weiterbearbeitung des Implantats nach Beschichtung sehr leicht erfolgen.

Die mit den vorliegenden Glas- und Glaskeramik-Materialien beschichteten Implantate wachsen fest mit Knochennewebe zusammen. Sie sind deshalb brauchbar als Knochenersatsmaterial, Knochenverstärkungsmaterial und als Ersatz für Zahnwurzeln. Ersichtlich stellt die vorliegende Erfindung einen großen Beitrag zur Medizin dar.

Leerseite

Claims

BLUMBACH -WESER:_; BER&E- $ *·^:Kfc&MER ZWiRNER .'HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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Nippon Kogaku K. K.

Tokyo, Japan Case

Bio3.ogisch aktive Glas- und Glaskeramik-Zusammensetzung sowie ein hiermit überzogenes Implantat

Patentansprüche

y Biologisch aktive Glas- und Glaskeramik-Zusammensetzung,

gekennzeichnet durch,

im wesentlichen durch folgende Zusammensetzung in Mol%

SiO₂ 35 bis 60

B₃O₃ 5 bis 15

Na₂O 10 bis 30

CaO 5 bis 40

TiO₂ 0,5 bis 10

P₂O₅ 0 bis 15

K,0 0 bis 20

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann DiplMng.
Wiesbaden: P. G. Blumböch Dipi.-Ing. · P. Bergen Prof. Df. jur. Dipl.-Ing., Pel. Acs., Pnt.-Ληνν. bis 19/9 · G Zwirnc-r Dipl.-Ing. r>:p^] ■ -.-.· ·:. "■.

-~ 2 —

Li₃O . 0 bis 10 MgO 0 bis 5

Al₀O- + ZrO„ + Nb O, O bis 8

La₃O₃ + Ta₂O₅ + Y₃O₃ O bis 8

F₂ O bis 15
2. Biologisch aktive Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

sie im wesentlichen gegeben ist in Mol% durch

SiO₂ 40 bis 60 B₃O 8 bis 15

Na₃O 15 bis 30 CaO 8 bis 30

TiO₂ 0,5 bis 8

P₃O₅ 0 bis 8

F„ 0 bis 15.

3. Implantat, das mit einer Schicht einer biologisch aktiven Glas- und Glaskeramik-Zusammensetzung überzogen ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Zusammensetzung im wesentlichen gegeben ist durch in Mol%

35 bis 60

B₃O₃ 5 bis 15

Na..0 . 10 bis 30

CaO TiO,

^P2°5

^K2°

MgO + ZrO₂ +Nb₂

La₂O₃ + Ta₂O₅ +

5 bis 40 0 ,5 bis 10 0 bis 15 0 bis 20 0 bis 10 0 bis 5 0 bis 8 0 bis 8 0 bis 15.

^F2

4. Implantat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Uberzugsschicht aus der biologisch aktiven ^Zusammensetzung 0,1 bis 2 mm dick ist.